Was ist das Funktionsprinzip des Röntgenlasers? Aufgrund der hohen Verstärkung im Erzeugungsmedium, der kurzen Lebensdauer des oberen Zustands (1–100 ps) und der Probleme, die mit dem Bau von Spiegeln verbunden sind, die die Strahlen reflektieren können, arbeiten diese Laser typischerweise ohne Spiegel. Der Röntgenstrahl wird durch einen einzigen Durchgang durch das Verstärkungsmedium erzeugt. Die emittierte Strahlung basierend auf dem verstärkten spontanen Strahl hat eine relativ geringe räumliche Kohärenz. Lesen Sie den Artikel bis zum Ende und Sie werden verstehen, dass dies ein Röntgenlaser ist. Dieses Gerät ist sehr praktisch und einzigartig in seiner Struktur.
Kerne in der Mechanismusstruktur
Da herkömmliche Laserübergänge zwischen sichtbaren und elektronischen oder Schwingungszuständen Energien bis zu 10 eV entsprechen, werden für Röntgenlaser andere aktive Medien benötigt. Auch hier können verschiedene aktive geladene Kerne verwendet werden.
Waffen
Zwischen 1978 und 1988 im Excalibur-ProjektDas US-Militär versuchte im Rahmen der Star Wars Strategic Defense Initiative (SDI) einen nuklearen Sprengstoff-Röntgenlaser zur Raketenabwehr zu entwickeln. Das Projekt erwies sich jedoch als zu teuer, zog sich in die Länge und wurde schließlich auf Eis gelegt.
Plasmamedien in einem Laser
Zu den am häufigsten verwendeten Medien gehört hochionisiertes Plasma, das in einer Kapillarentladung entsteht oder wenn ein linear fokussierter optischer Impuls auf ein festes Ziel trifft. Gemäß der Saha-Ionisationsgleichung sind die stabilsten Elektronenkonfigurationen Neon mit 10 verbleibenden Elektronen und Nickel-ähnlich mit 28 Elektronen. Elektronenübergänge in hochionisierten Plasmen entsprechen typischerweise Energien in der Größenordnung von Hunderten von Elektronenvolt (eV).
Ein alternatives Verstärkungsmedium ist der relativistische Elektronenstrahl eines Freie-Elektronen-Röntgenlasers, der anstelle von Standardstrahlung stimulierte Compton-Streuung verwendet.
Bewerbung
Kohärente Röntgenanwendungen umfassen kohärente Beugungsbildgebung, dichtes Plasma (undurchlässig für sichtbare Strahlung), Röntgenmikroskopie, phasenaufgelöste medizinische Bildgebung, Untersuchung von Materialoberflächen und Bewaffnung.
Eine leichtere Version des Lasers kann für ablative Laserbewegungen verwendet werden.
Röntgenlaser: So funktioniert es
Wie funktionieren Laser? Aufgrund der Tatsache, dass das Photonein Atom mit einer bestimmten Energie trifft, können Sie das Atom dazu bringen, ein Photon mit dieser Energie in einem Prozess auszusenden, der als stimulierte Emission bezeichnet wird. Wenn Sie diesen Vorgang in großem Maßstab wiederholen, erh alten Sie eine Kettenreaktion, die zu einem Laser führt. Einige Quantenknoten führen jedoch dazu, dass dieser Prozess stoppt, da ein Photon manchmal absorbiert wird, ohne überhaupt emittiert zu werden. Um jedoch maximale Chancen zu gewährleisten, werden die Photonenenergieniveaus erhöht und Spiegel parallel zum Lichtweg platziert, damit die gestreuten Photonen wieder ins Spiel kommen. Und bei hohen Energien von Röntgenstrahlen werden spezielle physikalische Gesetze gefunden, die diesem besonderen Phänomen innewohnen.
Verlauf
In den frühen 1970er Jahren schien der Röntgenlaser unerreichbar, da die meisten Laser der damaligen Zeit bei 110 nm ihren Höhepunkt erreichten, weit unter den größten Röntgenstrahlen. Dies lag daran, dass die zur Erzeugung des stimulierten Materials erforderliche Energiemenge so hoch war, dass es in einem schnellen Impuls abgegeben werden musste, was das Reflexionsvermögen, das zur Erzeugung eines leistungsstarken Lasers erforderlich ist, weiter verkompliziert. Daher betrachteten die Wissenschaftler das Plasma, weil es wie ein gut leitendes Medium aussah. Ein Team von Wissenschaftlern behauptete 1972, sie hätten endlich die Verwendung von Plasma bei der Herstellung von Lasern erreicht, aber als sie versuchten, ihre früheren Ergebnisse zu reproduzieren, scheiterten sie aus irgendeinem Grund.
In den 1980er Jahren schloss sich ein bedeutender Akteur aus der ganzen Welt dem Forschungsteam anWissenschaft - Livermore. Wissenschaftler machen seit Jahren kleine, aber wichtige Fortschritte, aber nachdem die Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) aufhörte, für die Röntgenforschung zu bezahlen, wurde Livermore Leiter des wissenschaftlichen Teams. Er leitete die Entwicklung verschiedener Lasertypen, einschließlich solcher auf Fusionsbasis. Ihr Nuklearwaffenprogramm war vielversprechend, denn die hohen Energieindikatoren, die Wissenschaftler während dieses Programms erreichten, deuteten auf die Möglichkeit hin, einen hochqualitativen gepulsten Mechanismus zu schaffen, der beim Bau eines Freie-Elektronen-Röntgenlasers nützlich wäre.
Das Projekt näherte sich allmählich dem Abschluss. Die Wissenschaftler George Chaplin und Lowell Wood erforschten in den 1970er Jahren erstmals die Fusionstechnologie für Röntgenlaser und wechselten dann zu einer nuklearen Option. Gemeinsam entwickelten sie einen solchen Mechanismus und waren am 13. September 1978 zum Testen bereit, aber ein Geräteausfall machte ihm ein Ende. Aber vielleicht war es das Beste. Peter Hagelstein entwickelte einen anderen Ansatz, nachdem er den vorherigen Mechanismus untersucht hatte, und am 14. November 1980 bewiesen zwei Experimente, dass der Prototyp des Röntgenlasers funktionierte.
Star Wars-Projekt
Sehr bald interessierte sich das US-Verteidigungsministerium für das Projekt. Ja, die Verwendung der Kraft einer Atomwaffe in einem fokussierten Strahl ist zu gefährlich, aber diese Kraft könnte verwendet werden, um ballistische Interkontinentalraketen (ICBMs) in der Luft zu zerstören. Es wäre am bequemsten, einen ähnlichen Mechanismus in der Nähe der Erde zu verwendenOrbit. Die ganze Welt kennt dieses Programm namens Star Wars. Das Projekt, den Röntgenlaser als Waffe einzusetzen, wurde jedoch nie verwirklicht.
Die Ausgabe von Aviation Week and Space Engineering vom 23. Februar 1981 berichtet über die Ergebnisse der ersten Tests des Projekts, darunter ein Laserstrahl, der 1,4 Nanometer erreichte und 50 verschiedene Ziele traf.
Tests vom 26. März 1983 ergaben nichts aufgrund eines Sensorausfalls. Die folgenden Tests am 16. Dezember 1983 demonstrierten jedoch seine wahren Fähigkeiten.
Weiteres Schicksal des Projekts
Hagelstein stellte sich einen zweistufigen Prozess vor, bei dem ein Laser ein Plasma erzeugt, das geladene Photonen freisetzt, die mit Elektronen in einem anderen Material kollidieren und Röntgenstrahlen aussenden. Mehrere Aufbauten wurden ausprobiert, aber am Ende erwies sich die Ionenmanipulation als die beste Lösung. Das Plasma entfernte die Elektronen, bis nur noch 10 innere übrig waren, wo die Photonen sie dann auf den 3p-Zustand aufluden und so den "weichen" Strahl freisetzten. Ein Experiment am 13. Juli 1984 bewies, dass dies mehr als Theorie war, als ein Spektrometer starke Emissionen bei 20,6 und 20,9 Nanometern von Selen (einem neonähnlichen Ion) maß. Dann erschien der erste Labor- (nicht militärische) Röntgenlaser mit dem Namen Novette.
Das Schicksal von Novette
Dieser Laser wurde von Jim Dunn entworfen und seine physikalischen Aspekte wurden von Al Osterheld und Slava Shlyaptsev verifiziert. Schnell verwenden(nahe einer Nanosekunde) hochenergetischen Lichtpuls, der die Partikel auflud, um Röntgenstrahlen freizusetzen, verwendete Novett auch Glasverstärker, die die Effizienz verbessern, sich aber auch schnell aufheizen, was bedeutet, dass es zwischen den Abkühlungen nur 6 Mal am Tag laufen kann. Einige Arbeiten haben jedoch gezeigt, dass es einen Pikosekundenimpuls auslösen kann, während die Komprimierung zu einem Nanosekundenimpuls zurückkehrt. Andernfalls wird der Glasverstärker zerstört. Es ist wichtig zu beachten, dass Novette und andere "Desktop"-Röntgenlaser "weiche" Röntgenstrahlen erzeugen, die eine längere Wellenlänge haben, was verhindert, dass der Strahl viele Materialien durchdringt, aber da einen Einblick in Legierungen und Plasma gibt es scheint leicht durch sie hindurch.
Andere Verwendungen und Funktionen der Bedienung
Also wofür kann dieser Laser verwendet werden? Es wurde bereits erwähnt, dass eine kürzere Wellenlänge die Untersuchung einiger Materialien erleichtern kann, aber dies ist nicht die einzige Anwendung. Wenn ein Ziel von einem Impuls getroffen wird, wird es einfach in atomare Teilchen zerstört, und gleichzeitig erreicht die Temperatur Millionen von Grad in nur einer Billionstel Sekunde. Und wenn diese Temperatur ausreicht, sorgt der Laser dafür, dass sich die Elektronen aus dem Inneren lösen. Dies liegt daran, dass die unterste Ebene der Elektronenorbitale das Vorhandensein von mindestens zwei Elektronen impliziert, die von der durch Röntgenstrahlen erzeugten Energie ausgestoßen werden.
Die Zeit, die ein Atom brauchtalle Elektronen verloren hat, liegt in der Größenordnung von wenigen Femtosekunden. Der resultierende Kern verweilt nicht lange und geht schnell in einen Plasmazustand über, der als "warme dichte Materie" bekannt ist und hauptsächlich in Kernreaktoren und den Kernen großer Planeten vorkommt. Durch das Experimentieren mit dem Laser können wir uns ein Bild von beiden Prozessen machen, die unterschiedliche Formen der Kernfusion sind.
Der Einsatz des Röntgenlasers ist wirklich universell. Ein weiteres nützliches Merkmal dieser Röntgenstrahlen ist ihre Verwendung mit Synchrotrons oder Partikeln, die entlang des gesamten Pfades des Beschleunigers beschleunigt werden. Je nachdem, wie viel Energie für diesen Weg benötigt wird, können die Teilchen Strahlung abgeben. Beispielsweise senden Elektronen bei Anregung Röntgenstrahlen aus, deren Wellenlänge etwa die Größe eines Atoms hat. Dann könnten wir die Eigenschaften dieser Atome durch Wechselwirkung mit Röntgenstrahlen untersuchen. Darüber hinaus können wir die Energie der Elektronen ändern und unterschiedliche Wellenlängen von Röntgenstrahlen erh alten, wodurch wir eine größere Analysetiefe erreichen.
Es ist jedoch sehr schwierig, einen Röntgenlaser mit eigenen Händen herzustellen. Seine Struktur ist selbst aus der Sicht erfahrener Physiker äußerst komplex.
In der Biologie
Auch Biologen konnten von Röntgenlasern (nuklear gepumpt) profitieren. Ihre Strahlung kann dazu beitragen, Aspekte der Photosynthese aufzudecken, die der Wissenschaft bisher unbekannt waren. Sie erfassen subtile Veränderungen in Pflanzenblättern. Lange Wellenlängen von weichen Röntgenlaserstrahlen ermöglichen es Ihnen, alles zu erforschen, ohne alles zu zerstörenfindet innerhalb der Anlage statt. Der Nanokristall-Injektor aktiviert Photozelle I, den Proteinschlüssel für die Photosynthese, der zu ihrer Aktivierung benötigt wird. Dieser wird von einem Laserstrahl aus Röntgenstrahlen abgefangen, wodurch der Kristall buchstäblich explodiert.
Wenn die oben genannten Experimente weiterhin erfolgreich sind, werden die Menschen in der Lage sein, die Geheimnisse der Natur zu lüften, und die künstliche Photosynthese könnte Wirklichkeit werden. Es wird auch die Frage nach der Möglichkeit einer effizienteren Nutzung der Sonnenenergie aufwerfen und die Entstehung wissenschaftlicher Projekte für viele Jahre provozieren.
Magnete
Wie wäre es mit einem elektronischen Magneten? Die Wissenschaftler fanden heraus, dass, wenn Xenonatome und Jod-begrenzte Moleküle von einem Hochleistungs-Röntgenstrahl getroffen wurden, die Atome ihre inneren Elektronen abwarfen, wodurch eine Lücke zwischen dem Kern und den äußersten Elektronen entstand. Anziehungskräfte setzen diese Elektronen in Bewegung. Normalerweise sollte dies nicht passieren, aber aufgrund des plötzlichen Abfalls von Elektronen tritt auf atomarer Ebene eine übermäßig "geladene" Situation auf. Wissenschaftler glauben, dass der Laser in der Bildverarbeitung eingesetzt werden könnte.
Riesiger Röntgenlaser Xfel
Dieser 3.500-Fuß-Laser, der im US National Accelerator Laboratory, insbesondere am Linac, gehostet wird, verwendet mehrere ausgeklügelte Geräte, um Ziele mit harten Röntgenstrahlen zu treffen. Hier sind einige der Komponenten eines der stärksten Laser (Abkürzungen und Anglizismen stehen für die Komponenten des Mechanismus):
- Drive Laser - schafftein ultravioletter Impuls, der Elektronen von der Kathode entfernt. Emittiert Elektronen bis zu einem Energieniveau von 12 Milliarden eW durch Manipulation des elektrischen Feldes. Es gibt auch einen S-förmigen Beschleuniger innerhalb des Uhrwerks namens Bunch Compressor 1.
- Bündelkompressor 2 - gleiches Konzept wie Bündel 1, aber längere S-förmige Struktur, erhöht durch höhere Energien.
- Transporthalle - Damit können Sie sicherstellen, dass die Elektronen für die Fokussierung von Impulsen mit Magnetfeldern geeignet sind.
- Undulator Hall - Besteht aus Magneten, die Elektronen dazu bringen, sich hin und her zu bewegen, wodurch hochenergetische Röntgenstrahlen erzeugt werden.
- Beam Dump ist ein Magnet, der Elektronen entfernt, aber Röntgenstrahlen durchlässt, ohne sich zu bewegen.
- LCLS Experimental Station ist eine spezielle Kammer, in der der Laser befestigt ist und die der Hauptraum für damit verbundene Experimente ist. Die von diesem Gerät erzeugten Strahlen erzeugen 120 Impulse pro Sekunde, wobei jeder Impuls 1/10000000000 Sekunde dauert.
- Kapillarplasma-Entladungsmedium. In diesem Aufbau begrenzt eine mehrere Zentimeter lange Kapillare aus einem stabilen Material (z. B. Aluminiumoxid) einen hochpräzisen elektrischen Impuls im Submikrosekundenbereich in einem Niederdruckgas. Die Lorentzkraft bewirkt eine weitere Kompression der Plasmaentladung. Zusätzlich wird oft ein elektrischer oder optischer Impuls vor der Ionisierung verwendet. Ein Beispiel ist ein kapillarer Neon-ähnlicher Ar8+-Laser (der Strahlung bei 47 erzeugtnm).
- Targetmedium einer festen Platte - nach dem Auftreffen eines optischen Pulses emittiert das Target ein hoch angeregtes Plasma. Wiederum wird oft ein längerer "Vorimpuls" verwendet, um das Plasma zu erzeugen, und ein zweiter, kürzerer und energiereicherer Impuls wird verwendet, um das Plasma weiter zu erhitzen. Für kurze Lebensdauern kann eine Impulsverschiebung erforderlich sein. Der Brechungsindexgradient des Plasmas bewirkt, dass der verstärkte Puls von der Targetoberfläche weg gebogen wird, da bei Frequenzen oberhalb der Resonanz der Brechungsindex mit der Dichte der Materie abnimmt. Dies kann kompensiert werden, indem mehrere Targets in einem Burst verwendet werden, wie beim europäischen Freie-Elektronen-Röntgenlaser.
- Plasma angeregt durch ein optisches Feld - bei optischen Dichten, die hoch genug sind, um Elektronen effektiv zu tunneln oder sogar eine Potentialbarriere zu unterdrücken (> 1016 W / cm2), ist es möglich, ein Gas ohne Kontakt mit einer Kapillare stark zu ionisieren oder Ziel. Typischerweise wird eine kollineare Einstellung verwendet, um die Pulse zu synchronisieren.
Im Allgemeinen ähnelt die Struktur dieses Mechanismus dem des europäischen Freie-Elektronen-Röntgenlasers.
